WO2019025222A1 - Lichtleiter-basiertes lidar-system - Google Patents

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WO2019025222A1
WO2019025222A1 PCT/EP2018/069928 EP2018069928W WO2019025222A1 WO 2019025222 A1 WO2019025222 A1 WO 2019025222A1 EP 2018069928 W EP2018069928 W EP 2018069928W WO 2019025222 A1 WO2019025222 A1 WO 2019025222A1
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lidar system
optical fiber
sensor head
light
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Tobias PETERSEIM
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Robert Bosch Gmbh
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    • G01S7/4817—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements relating to scanning

Definitions

  • the present invention relates to a LiDAR system.
  • laser scanners are used today. Such laser scanners are also called
  • LiDAR system called.
  • Macroscanner are used, which, however, have a high failure rate due to high wear of their axle bearings.
  • This problem arises both in motorized rotary mirror scanners and in systems with rotors which contain a measuring technique with laser detector and optics.
  • rotating components are rotationally symmetric in order to avoid mechanical instabilities, which may result from an imbalance of rotating components.
  • these systems can not be built modular and require a certain design and construction.
  • a transmission path and a reception path of the LiDAR system is biaxial, with the separate reception and transmission path, a high volume of the laser scanning system is due.
  • a detector unit, a laser unit and an optical transmitting and receiving element are combined in one module, resulting in a total volume of such a LiDAR system having a lower limit and the possibilities for selecting a place of installation by the Total volume are limited.
  • a major cost factor in all these LiDAR systems is the bandpass filter used, which ensures that the disturbing ambient light is suppressed. The cost scales directly with the surface of the filter.
  • WO2012112683A2 discloses a LiDAR system in which optical fibers are used.
  • a circulator is used to either couple a scanning beam to be emitted into an optical waveguide or to convey a received reflection of the scanning beam to a detector.
  • a circulator makes the provision of a LiDAR system very costly and expensive and is therefore not very suitable for use in the automotive environment.
  • DE102012025464A1 further discloses an optical sensor which is suitable for use in the automotive environment. However, this optical sensor is not suitable for scanning the environment.
  • the LiDAR system comprises a beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser beam source, a laser
  • the beam source is configured to generate a scanning beam.
  • the detector is arranged to detect a reflection of the scanning beam which is reflected back to the LiDAR system when the scanning beam has been reflected into an environment of the LiDAR system.
  • the optical fiber bundle comprises at least a first optical waveguide and a second optical waveguide, wherein the first optical waveguide is coupled to the beam source at a first end of the first optical waveguide and the second optical waveguide is coupled to the detector at a first end of the second optical waveguide.
  • a second end of the first optical fiber and a second end of the second optical fiber are merged, wherein the sensor head further comprises a deflecting device to the over the first optical fiber guided to the sensor head scanning beam during a
  • the sensor head and the detector are coupled with each other via a different light guide than the sensor head and the steel source. This means that at any time an optical path between the sensor head and the
  • the Beam source is a light source through which light is provided in the visible or non-visible area.
  • the light provided by the beam source is coupled into the first light guide.
  • the beam source is a laser.
  • the detector is a device by which light received by the LiDAR system is detected.
  • the detector preferably comprises one or more photodiodes.
  • the detector is thus a sensor or a sensor array.
  • the optical fiber bundle is a strand of a plurality of individual optical fibers, wherein the optical fiber bundle comprises at least two individual optical fibers. It is not absolutely necessary that the individual optical fibers are combined over a whole length of the optical fiber bundle to form a strand.
  • An optical fiber is in particular an optical fiber.
  • an optical fiber is a glass fiber or a glass fiber
  • An optical fiber is an optical device by which light is directed along a structure of the optical fiber.
  • the light guide is
  • a flexible element or a rigidly shaped element which is made for example of a glass or acrylic glass.
  • the sensor head is a structural unit, which forms an interface of the LiDAR system to the environment of the LiDAR system.
  • the second end of the first light guide and the second end of the second light guide is merged.
  • the optical fiber bundle has a Y-shape, wherein the first optical fiber coming from the beam source is brought together with the second optical fiber coming from the detector.
  • the first light guide and the second light guide are separate light guides, which are bundled, however, to be arranged compactly next to one another in the sensor head.
  • the deflection device is an optical device which is suitable for changing the scanning beam emerging from the first light guide into different ones
  • the scanning beam can either be coupled into the first optical waveguide already as a collimated beam, or focused into a beam only when it emerges from the first optical waveguide.
  • the deflection device is in particular also set up to reflect one from the environment of the LiDAR system
  • Coupling scan beam in the second light guide Characterized in that the sensor head is separated by the optical fiber bundle of the detector and the beam source, a modularity of the LiDAR system is increased. Thus, it is possible, in particular, that the detector and the beam source are installed at different positions and only the sensor head is to be placed at a position which is advantageous for scanning the surroundings of the LiDAR system.
  • the sensor head can be designed as an extremely compact unit, resulting in a flexible positioning of the
  • the beam source and the detector can thus, in contrast to a complete sensor, which consists of a laser detector, deflection unit and optics, be combined into a single independently positionable from the sensor head module.
  • Beam source, detector and sensor head can be spatially separated.
  • the size of a necessary bandpass filter can be limited to the size of the second light guide and thus be made very small. This is how the first one points
  • Light guide and the second light guide for example, a beneficial
  • the LiDAR system ensures that, on the one hand, more light is applied to the detector
  • the full power of the scanning beam is available. Losses caused by a beam splitter are avoided. Due to the separation of the sensor head, beam source and detector, the
  • Beam source, the detector and the sensor head are arranged separately from each other.
  • the individual elements of the LiDAR system can be placed in particular in a vehicle.
  • the sensor head requires only a very small installation volume and can thus be placed, for example, behind a bumper or in an exterior mirror. It is therefore achieved a high flexibility with respect to the installation of the beam source and the detector.
  • the installation of the individual components can be chosen advantageously, it is For example, it is possible to place the beam source or the detector such that cooling of these components is ensured.
  • the detector can cost as a compact
  • the first optical waveguide and the second optical waveguide are preferably arranged coaxially with one another at their second end.
  • the sensor head can thus be made very compact.
  • the LiDAR system comprises a plurality of second optical fibers, which are coupled at their first end to the detector and at its second end to the sensor head to the second end of the first
  • Fiber are merged.
  • a larger area is provided at the second end of the second optical fiber to couple received light into the second optical fiber. It is therefore easier to focus light received on the second light guides and a
  • Receiving optics can be made compact.
  • the second ends of the second optical waveguides are arranged such that they are arranged around the second end of the first optical waveguide.
  • the first optical waveguide on the sensor head is a central optical waveguide of the optical waveguide bundle.
  • the second light guides are in particular arranged in a ring around the first light guide.
  • the LiDAR system comprises a plurality of first light guides, which are coupled at their first end to the beam source and the second end are combined at the sensor head with the second ends of the second light guide. It is preferred all of the first optical fibers are arranged in a center of the optical fiber bundle and are fringed by the second optical fibers. In this way, a symmetrical structure is created, whereby an optics of the deflection can be made particularly compact and easy.
  • a beam-shaping lens is arranged at the second end of the first light guide.
  • Such a beam-shaping lens is preferably applied directly to the second end of the first light guide.
  • a beam-shaping lens is an optical lens. It can thus be a focus of light, which was coupled from the beam source in the first light guide. The scanning beam can thus before its release in the
  • Focused LiDAR system environment and the LiDAR system can be optimized to a preferred scanning range. It is also advantageous to engage at the second end of the second light guide
  • Bandpass filter is arranged, and or the second optical fiber has a fiber core with integrated Bragg gratings. If the LiDAR system comprises a plurality of second optical fibers, it is advantageous if at the second end of all second optical fibers
  • Fiber optic a bandpass filter is arranged.
  • the bandpass filter is preferably applied directly to the second end or ends. The fact that only such light passes to the detector, which is passed through the one or the second light guide, a dimension of the bandpass filter can thus be made particularly small. If the bandpass filter is applied directly to the second or the light guides, then the bandpass filter can be made very narrow, which is due to a limited angle of incidence for coupling light into the second light guide.
  • the bandpass filter is applied directly to the second or the light guides, then the bandpass filter can be made very narrow, which is due to a limited angle of incidence for coupling light into the second light guide.
  • the bandpass filter is applied directly to the second or the light guides, then the bandpass filter can be made very narrow, which is due to a limited angle of incidence for coupling light into the second light guide.
  • the bandpass filter is applied directly to the second or the light guides, then the bandpass filter can be made very narrow, which is due to a limited angle of incidence for coupling light into the
  • Bandpass filter has a thickness of less than 4 nm. Such a bandpass filter offers advantages when using SPAD detectors, which are also referred to as single-photon avalanche diodes. For SPAD detectors are
  • the second optical waveguide has a fiber core with an integrated Bragg grating, then an additional and separate filter can be dispensed with, since the second optical waveguide itself
  • the bandpass filter does not necessarily have to be thinner than 4 nm, since dielectric filters typically consist of several layers and thus may also have a thickness of one or more micrometers, depending on the number of layers. Furthermore, it is advantageous if the deflection device is a movable
  • micromirrors and / or a movably arranged first
  • Lens arrangement comprises. By means of such optical elements, a particularly simple realization of the deflection device is possible.
  • the deflection device comprises a first lens arrangement and a second lens arrangement which are arranged to be movable with respect to one another. It is advantageous if an optical axis of a lens of the first lens arrangement and a lens of the second
  • Lens arrangement are aligned parallel to each other and the
  • Lens assemblies along the optical axis or in a direction perpendicular to the optical axis direction against each other are movable. In other words, this means that it is advantageous if the first
  • Lens assembly and the second lens assembly are not tilted against each other. In this way, a particularly compact deflection with low depth can be created. This leads to a compact sensor head.
  • the first lens arrangement and / or the second lens arrangement may also be a microlens array, which has the advantage that the deflection relative to normal lenses takes place on the micrometer scale.
  • a third lens arrangement is arranged between the first lens arrangement and the second lens arrangement. It is particularly advantageous if the first lens arrangement and the second lens arrangement.
  • Lens arrangement each comprise at least one concave lens and the third lens arrangement comprises at least one convex lens.
  • the third lens arrangement preferably comprises at least one concave lens.
  • first light guide and the second light guide are photonic crystal fibers, wherein the cavities between the light guides are filled with a gas which only light having a wavelength of Beam source transmitted.
  • the gas acts as a bandpass filter and blocks interfering wavelengths.
  • the deflection device is a non-mechanical beam steering device.
  • a non-mechanical beam steering device is based in particular on a beam steering by liquid crystals, by prisms, in particular double-breaking prisms, or by holograms.
  • Figure 1 is an illustration of a vehicle, to which two
  • LiDAR systems according to the invention are arranged,
  • Figure 2 is an illustration of a first optical fiber bundle, wherein a
  • FIG. 3 is a representation of a second optical fiber bundle, wherein a
  • Front side of the optical fiber bundle is shown on the side of the sensor head
  • FIG. 4 shows a representation of a first advantageous sensor head with a first deflection device
  • FIG. 5 a representation of a second advantageous sensor head with a second deflection device
  • FIG. 6 shows an enlarged view of the second deflection device
  • FIG. 7 shows a representation of a third deflection device
  • 8 shows an illustration of a fourth deflection device
  • FIG. 10 shows a representation of a vehicle on which several
  • Figure 1 shows an illustration of a vehicle 100, in which a
  • the LiDAR system 1 comprises a beam source 2, a detector 3, an optical fiber bundle 4 and a sensor head 7.
  • the beam source 2 is configured to generate a scanning beam 20.
  • the beam source 2 is a laser system.
  • the beam source 2 comprises a laser diode for generating the scanning beam 20
  • the detector 3 is arranged to detect a reflection of the scanning beam 20, which is reflected back to the LiDAR system 1 when the scanning beam 20 has been reflected in an environment of the LiDAR system 1.
  • the detector 3 comprises a photoactive component, in particular a
  • the detector 3 is a detector array which comprises a plurality of photoactive components.
  • the optical fiber bundle 4 is a glass fiber bundle 4 which has a Y-shape. This means that the light guides 5, 6 are bundled at one end of the glass fiber bundle 4 and are separated from one another at another end of the glass fiber bundle 4.
  • the glass fiber bundle 4 comprises at least a first optical waveguide 5 and a second optical waveguide 6.
  • the optical waveguide bundle 4 thus comprises at least two individual optical waveguides 5, 6. These individual optical waveguides are bundled, the bundling being effected only on one the sensor head 7
  • the first light guide 5 and the second light guide 6 are thus bundled in the region of the foot of the Y-shaped optical fiber bundle 4.
  • the first optical waveguide 5 is coupled to the beam source 2 at a first end of the first optical waveguide 5.
  • the second optical waveguide 6 is coupled to the detector 3 at a first end of the second optical waveguide 6.
  • a second end of the first light guide 5 and a second end of the second light guide 6 are bundled on the side of the sensor head 7.
  • the first light guide 5 and the second light guide 6 are
  • the optical fibers can also be made as plastic elements.
  • Other light-conducting materials may be advantageous for the execution of the light guides 5, 6.
  • the optical fiber bundles 4 illustrated in FIG. 2 and FIG. 3 comprise a plurality of second optical fibers 6, which are coupled at their first end to the detector 3 and which are brought together at their second end on the sensor head 7 with the second end of the first optical fiber 5.
  • the detector 3 is coupled to the sensor head 7 via a multiplicity of light guides, here the second light guides 6.
  • each of the optical fibers connecting the detector 3 to the sensor head 7 can be regarded as the second optical fiber 6.
  • Figure 2 and Figure 3 is a plan view of one end of the optical fiber bundle 4 is shown.
  • the first optical fiber 5 is arranged.
  • the second optical fibers 6 are arranged around the illustrated second end of the first optical fiber 5 around. In this case, different arrangement possibilities of the light guides 5, 6 are shown in FIG. 2 and FIG.
  • first light guide 5 and the second light guide 6 are arranged in the respective cross-sectional center of the individual light guides 5, 6 on a square grid.
  • the second ones are
  • Light guide 6 is arranged with their cross-sectional centers on a circular path around the first light guide 5 around. This allows a particularly compact arrangement of the individual light guides 5, 6.
  • Figure 2 and Figure 3 the respective second end of the first light guide 5 and the second light guide 6 is shown. In this case, an end face of the optical fiber bundle 4 is shown.
  • Optical fibers 5, 6 are perpendicular to this region of the optical fiber bundle 4 the level shown.
  • the axes of the first optical fiber 5 and the second optical fiber 6 are arranged coaxially with each other.
  • the inner core of the Double-Clad Fiber is suitable for a single-mode beam from a light source, into which the light is coupled.
  • the core of the Double-Clad Fiber preferably serves as the first light guide 5.
  • the outer jacket of the Double-Clad Fiber (possibly including Bandpass filter or Bragg grating) can collect the reflected light and direct it to the detector.
  • the outer jacket of the double-clad fiber preferably serves as a second optical waveguide 6. This arrangement is similar to
  • Fiber splitter with or without integrated beam splitter (possibly
  • an optical fiber circulator is advantageous.
  • the light is coupled in by the light source and coupled out via a second port.
  • the second port 2 the light from the environment, which is coupled back in via the deflection unit, is sent to the detector via the second port and / or a third port 3.
  • the optical fiber bundle 4 is a glass fiber which consists of several fiber cores. This can also be a photonic crystal fiber.
  • the central glass fiber core that is to say the first optical waveguide 5
  • the central glass fiber core is used to transport the emitted light of a laser or LED, which serves as a beam source 2.
  • the outer arbitrarily arranged fiber cores ie the second optical fibers 6, collect the light reflected in the environment of the LiDAR system 1.
  • the second light guide is a rectangular or circular arrangement and also an arrangement in multiple layers possible.
  • the scanning beam 20 can on the middle
  • an optical element for the suppression of the background light can on the outer fiberglass cores a coating for wavelength selections) are applied, which is hereinafter referred to as bandpass filter or bandpass.
  • bandpass filter fiber cores with integrated Bragg gratings are used.
  • Optical fibers and the beam source, the detector and / or the deflection device are filled with a gas which absorbs the broadband background light and transmits only the wavelength of the beam source 2.
  • the central fiber from the beam source 2 and the outer fiber bundles, that is, the second optical fibers 6, which lead to the detector 3, can be spatially separated from each other by the Y design of the entire glass fiber.
  • FIGS. 4 and 5 show two possible embodiments of the sensor head 7.
  • the end of the sensor head 7 on the side of the sensor head 7 is shown
  • the optical fiber bundle 4 corresponds to the optical fiber bundle 4 illustrated in FIG. 2 or 3.
  • the optical fiber bundle 4 is shown in a sectional plane along a longitudinal axis of the optical fiber bundle 4.
  • the first optical fiber 5 is arranged. Coaxial to the first light guide 5 is in the cross section above and below the first light guide 5 each have a second light guide. 6
  • the light guides 5,6 of the optical fiber bundle 4 are further covered with a protective layer 8. On the illustrated second end of the first
  • Optical fiber 5 is a beam-shaping lens 12 is arranged. This is mounted directly on the first light guide 5.
  • the beam-forming list 12 makes it possible for the scanning beam 20 coupled into the first optical waveguide 5 to be focused.
  • a band-pass filter 9 is disposed on the ends of the second optical fiber 6.
  • the bandpass filter 9 is mounted on the ends of the second optical fibers 6.
  • a front surface of the second optical waveguide 6 is coated with the bandpass filter in order to block unwanted stray light (eg from the sun).
  • the embodiment of the sensor head 7 shown in FIG. 4 also shows the
  • the micromirror 11 preferably performs an oscillating movement or is designed as a rotating mirror.
  • Figure 4 is thus a combination of a multifiber with a deflection mirror, z. B. a micromirror or a polygon mirror shown.
  • the micromirror In the case of the micromirror, light from the central fiber, ie from the first light guide 5, strikes the micromirror 11, which deflects the light at a certain angle into the field of view of the LiDAR system 1. The reflected light is reflected by the micromirror 1 1, which has moved on in the meantime, back towards the optical fiber bundle 4 and meets there depending on the position of the pixel in the field of view on one of the outer second light guide 6. There, the light in the fiber core to Detector 3 passes and meets there on the sensitive sensor surface.
  • the embodiment of the sensor head 7 shown in FIG. 5 essentially corresponds to the embodiment of the sensor head 7 shown in FIG. 4, wherein the deflection device 10 in the embodiment shown in FIG. 5 comprises a first lens arrangement 13 and a second lens arrangement 14 instead of the micromirror 11 are arranged movable relative to each other.
  • the deflection device 10 in the embodiment shown in FIG. 5 comprises a first lens arrangement 13 and a second lens arrangement 14 instead of the micromirror 11 are arranged movable relative to each other.
  • Lens assembly 14 disposed opposite to the optical fiber bundle 4 in a fixed position and the other of the first and second lens assembly 13 and 14 is movably disposed opposite to the optical fiber bundle 4.
  • the first lens arrangement 13 and the second lens arrangement 14 are microlens lenses.
  • the scanning beam 20 is deflected by the moving first or second microlens array 13, 14 into the field of view. After reflection in the vicinity of the LiDAR system 1, the light is incident on the basis of an oscillating movement of the respective microlens array 13, 14 one of the outer second optical fibers 6, where the light is conducted to the detector 3.
  • the deflection device 10 shown in FIG. 5 is shown in FIG.
  • the second lens array 14 can be displaced laterally relative to the first lens array 13. The distance between the lens arrangement en 13, 14 remains the same. This means that the second lens arrangement 14 is displaced parallel to the first lens arrangement 13. As can also be seen from FIG.
  • Lens assembly 14 in addition a third lens assembly 15 is arranged. This is illustrated by way of example in FIG.
  • FIG. 7 shows that the first lens arrangement 13 and the second
  • Lens assembly 14 are each a lens array of convex microlenses.
  • the third lens array 15 is a lens array of concave-shaped ones
  • the third lens arrangement 15 is moved together with the second lens arrangement 14 with respect to the first lens arrangement 13. However, it is not necessary that the second lens assembly 14 and the third lens assembly 15 to the same extent compared to the first
  • Lens assembly 13 are moved. Rather, it is advantageous if the second lens arrangement 14 and the third lens arrangement 15 are moved in such a way that the scanning beam 20 is focused by the third lens arrangement 15 onto the individual microlenses of the second lens arrangement 14.
  • Deflection device 10 is a non-mechanical beam steering device. This means, for example, that the micromirror 1 1 or the lens assemblies 13, 14 and 15 comprise no mechanical components that are actually moved. So are the lenses of the first, second and / or third
  • Lens assembly 10, 13, 14 at a changed position in the liquid crystal was not mechanically moved in any way.
  • alternative techniques for performing a non-mechanical beam steering in the deflection device 10 is a beam steering through
  • the first lens arrangement increases the robustness of the sensor head 7 against mechanical influences and thus allows a more flexible arrangement of the sensor head 7.
  • the second lens array 14, and the third lens array 15 are implemented as a microlens array. It should be noted that the first
  • Lens assembly 13 the second lens assembly 15 and / or the third
  • FIG. 8 shows a lens arrangement in the deflection device 10, wherein the first lens arrangement 13 comprises a single convex lens and the second lens arrangement 14 comprises a single convex lens.
  • the second lens arrangement 14 is moved relative to the first lens arrangement 13, a direction of the scanning beam 20 changes.
  • the third lens arrangement 15 also comprises a single convex lens.
  • Figure 7 illustrated embodiment of the deflector 10 are the second lens assembly 14 and the third lens assembly 15 movable relative to the first lens assembly 13 executed.
  • FIG. 10 shows an alternative arrangement of a plurality of inventive LiDAR systems 1 on a vehicle 100.
  • a plurality of sensor heads 40, 41, 42, 43 are arranged on the vehicle, which correspond to the sensor head 7 described above.
  • the detectors 3 of the individual LiDAR systems are grouped in a detector assembly 44.
  • the beam sources 2 of the individual LiDAR systems are in one
  • Beam source assembly 35 grouped.
  • the beam source module 45 is designed in particular such that the scanning beam 20 is coupled by a single laser into different first optical fibers 5, which are associated with different LiDAR systems.
  • the sensor heads 40, 41, 42, 43 of the individual LiDAR systems are arranged at arbitrary positions of the vehicle 100. Thus, the entire environment of the vehicle 100 can be scanned by the LiDAR systems, with the necessary detectors 3 and beam sources 2 being securely arranged in the interior of the vehicle 100.
  • the sensor head 7, which includes the deflection unit, can be installed separately from the beam source 2 and detector 3 in the vehicle 100. Thereby, the sensor head 7 can be installed in places where space is limited, for example, in the vehicle door.
  • the beam source 2 and the detector 3 including electronics can be mounted in easily accessible locations, where sufficient space for the modules is available. When using multiple sensors, the beam sources 2 and detectors 3 can be connected to a single unit.
  • the field of application of a LiDAR system according to the invention comprises in particular 2D and 3D laser scanners for environmental detection in

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System (1), umfassend eine Strahlquelle (2), welche dazu eingerichtet ist, einen Scanstrahl zu erzeugen, einen Detektor (3), welcher dazu eingerichtet ist, eine Reflektion des Scanstahls zu empfangen, welche zu dem LiDAR-System (1) zurückgeworfen wird, wenn der Scanstrahl in einer Umgebung des LiDAR-Systems (1) reflektiert wurde, ein Lichtleiterbündel (4), welches zumindest einen ersten Lichtleiter (5) und einen zweiten Lichtleiter (6) umfasst, wobei der erste Lichtleiter (5) an einem ersten Ende des ersten Lichtleiters (5) mit der Strahlquelle (2) gekoppelt ist und der zweite Lichtleiter (6) an einem ersten Ende des zweiten Lichtleiters (6) mit dem Detektor (3) gekoppelt ist, und einen Sensorkopf (7), in dem ein zweites Ende des ersten Lichtleiters (5) und ein zweites Ende des zweiten Lichtleiters (6) zusammengeführt werden, wobei der Sensorkopf (7) ferner einer Ablenkvorrichtung aufweist, um den über den ersten Lichtleiter (5) zu dem Sensorkopf (7) geführten Scanstrahl während eines Scanvorgangs in eine wechselnde Richtung zu lenken.

Description

Beschreibung
Titel
Lichtleiter-basiertes LiDAR-system Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein LiDAR-System.
Um Objekte im dreidimensionalen Raum zu erfassen und zu erkennen, werden heutzutage Laserscanner eingesetzt. Solche Laserscanner werden auch als
LiDAR-System bezeichnet. Dabei werden heutzutage hauptsächlich sog. Macroscanner eingesetzt, welche jedoch aufgrund eines hohen Verschleißes ihrer Achslager eine hohe Ausfallrate aufweisen. Diese Problematik ergibt sich sowohl bei motorisierten Drehspiegelscannern als auch bei Systemen mit Rotoren, welche eine Messtechnik mit Laserdetektor und Optik enthalten. Bei aktuellen LiDAR-Systemen ist es notwendig, dass rotierende Bauelemente rotationssymmetrisch aufgebaut sind, um mechanische Instabilitäten zu vermeiden, welche sich aus einer Unwucht von drehenden Komponenten ergeben können. Des Weiteren lassen sich diese Systeme nicht modular aufbauen und bedingen eine gewisse Bauform und Konstruktionsart.
Bei einigen LiDAR-Systemen ist ein Sendepfad und ein Empfangspfad des LiDAR-Systems biaxial aufgebaut, wobei durch den getrennten Empfangs- und Sendepfad ein hohes Bauvolumen des Laserscanning-Systems bedingt ist.
Des Weiteren sind in aktuellen LiDAR-Systemen eine Detektoreinheit, eine Lasereinheit und ein optisches Sende- und Empfangselement in einem Modul vereinigt, was dazu führt, dass ein Gesamtvolumen eines solchen LiDAR- Systems eine untere Grenze aufweist und die Möglichkeiten zur Auswahl eines Verbauortes durch das Gesamtvolumen eingeschränkt sind. Ein großer Kostenfaktor bei all diesen LiDAR-Systemen ist der eingesetzte Bandpassfilter, welcher dafür sorgt, dass das störende Umgebungslicht unterdrückt wird. Die Kosten skalieren hierbei direkt mit der Fläche des Filters.
Die WO2012112683A2 offenbart ein LiDAR-System, in welchem Lichtleiter eingesetzt werden. Dabei kommt ein Zirkulator zum Einsatz, um entweder einen auszusendenden Scanstrahl in einen Lichtleiter einzukoppeln oder eine empfangene Reflektion des Scanstrahls an einen Detektor zu vermitteln. Ein solcher Zirkulator macht die Bereitstellung eines LiDAR-Systems jedoch sehr kostenintensiv und aufwendig und ist daher gerade für einen Einsatz im automobilen Umfeld wenig geeignet.
Die DE102012025464A1 offenbart ferner einen optischen Sensor, welcher für einen Einsatz im automobilen Umfeld geeignet ist. Dieser optische Sensor ist jedoch nicht für ein Scannen des Umfeldes geeignet.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße LiDAR-System umfasst eine Strahlquelle, einen
Detektor, ein Lichtleiterbündel und einen Sensorkopf. Die Strahlquelle ist dazu eingerichtet, einen Scanstrahl zu erzeugen. Der Detektor ist dazu eingerichtet, eine Reflexion des Scanstrahls zu detektieren, welche zu dem LiDAR-System zurückgeworfen wird, wenn der Scanstrahl in eine Umgebung des LiDAR- Systems reflektiert wurde. Das Lichtleiterbündel umfasst zumindest einen ersten Lichtleiter und einen zweiten Lichtleiter, wobei der erste Lichtleiter an einem ersten Ende des ersten Lichtleiters mit der Strahlquelle gekoppelt ist und der zweite Lichtleiter an einem ersten Ende des zweiten Lichtleiters mit dem Detektor gekoppelt ist. In dem Sensorkopf sind ein zweites Ende des ersten Lichtleiters und ein zweites Ende des zweiten Lichtleiters zusammengeführt, wobei der Sensorkopf ferner eine Ablenkvorrichtung aufweist, um den über den ersten Lichtleiter zu dem Sensorkopf geführten Scanstrahl während eines
Scanvorgangs in eine wechselnde Richtung zu lenken.
Somit sind der Sensorkopf und der Detektor über einen anderen Lichtleiter miteinander gekoppelt als der Sensorkopf und die Stahlquelle. Das bedeutet, dass zu jeder Zeit ein optischer Pfad zwischen dem Sensorkopf und dem
Detektor sowie zwischen dem Sensorkopf und der Stahlquelle besteht. Die Strahlquelle ist eine Lichtquelle, durch welche Licht im sichtbaren oder nicht sichtbaren Bereich bereitgestellt wird. Das von der Strahlquelle bereitgestellte Licht wird in den ersten Lichtleiter eingekoppelt. Insbesondere ist die Strahlquelle ein Laser. Der Detektor ist eine Vorrichtung, durch welche von dem LiDAR- System empfangenes Licht detektiert wird.
Der Detektor umfasst bevorzugt eine oder mehrere Fotodioden. Der Detektor ist somit ein Sensor oder ein Sensor-Array. Das Lichtleiterbündel ist ein Strang aus mehreren einzelnen Lichtleitern, wobei das Lichtleiterbündel zumindest zwei einzelne Lichtleiter umfasst. Dabei ist es nicht zwingend notwendig, dass die einzelnen Lichtleitern über eine gesamte Länge des Lichtleiterbündels zu einem Strang zusammengefasst sind. Ein Lichtleiter ist insbesondere eine optische Faser. So ist ein Lichtleiter beispielsweise eine Glasfaser oder eine
Kunststofffaser. Ein Lichtleiter ist ein optisches Bauelement, durch welches Licht entlang einer Struktur des Lichtleiters gelenkt wird. Der Lichtleiter ist
insbesondere ein flexibles Element oder ein starr geformtes Element, welches beispielsweise aus einem Glas oder Acrylglas gefertigt ist.
Der Sensorkopf ist eine bauliche Einheit, welche eine Schnittstelle des LiDAR- Systems zu der Umgebung des LiDAR-Systems bildet. In dem Sensorkopf wird das zweite Ende des ersten Lichtleiters und das zweite Ende des zweiten Lichtleiters zusammengeführt. So weist das Lichtleiterbündel insbesondere eine Y-Form auf, wobei der von der Strahlquelle kommende erste Lichtleiter mit dem von dem Detektor kommenden zweiten Lichtleiter zusammengeführt werden. Der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter sind dabei getrennte Lichtleiter, welche jedoch gebündelt werden, um in den Sensorkopf kompakt nebeneinander angeordnet zu sein.
Die Ablenkvorrichtung ist eine optische Vorrichtung, welche dazu geeignet ist, den aus dem ersten Lichtleiter austretenden Scanstrahl in unterschiedliche
Richtungen zu lenken, um ein Scannen der Umgebung des LiDAR-Systems mittels des Scanstrahls zu ermöglichen. Dabei kann der Scanstrahl entweder bereits als ein gebündelter Strahl in den ersten Lichtleiter eingekoppelt werden, oder erst bei einem Austreten aus dem ersten Lichtleiter zu einem Strahl fokussiert werden. Die Ablenkvorrichtung ist dabei insbesondere auch dazu eingerichtet, einen aus der Umgebung des LiDAR-Systems reflektierten
Scanstrahl in den zweiten Lichtleiter einzukoppeln. Dadurch, dass der Sensorkopf durch das Lichtleiterbündel von dem Detektor und der Strahlquelle getrennt ist, wird eine Modularität des LiDAR-Systems erhöht. So wird es insbesondere ermöglicht, dass der Detektor und die Strahlquelle an unterschiedlichen Positionen verbaut werden und lediglich der Sensorkopf an einer Position zu platzieren ist, welche für einen Scannen der Umgebung des LiDAR-Systems vorteilhaft ist. Der Sensorkopf kann dabei als eine äußerst kompakte Baueinheit gestaltet sein, was eine flexible Positionierung des
Sensorkopfs ermöglicht. Die Strahlquelle und der Detektor können somit im Gegensatz zu einem Komplettsensor, welcher aus Laserdetektor, Ablenkeinheit und Optik besteht, zu einem einzelnen unabhängig von dem Sensorkopf positionierbaren Modul zusammengefasst werden. Strahlquelle, Detektor und Sensorkopf können räumlich voneinander getrennt sein. Die Größe eines notwendigen Bandpassfilters kann auf die Größe des zweiten Lichtleiters beschränkt sein und somit sehr klein gestaltet werden. So weist der erste
Lichtleiter und der zweite Lichtleiter beispielsweise einen vorteilhaften
Durchmesser von jeweils weniger als 1 mm auf. Es wird somit eine
Kostenreduktion beim Bau von LiDAR-Systemen ermöglicht. In dem Sensorkopf werden somit ein Sender und ein Empfangspfad des LiDAR-
Systems zusammengeführt. Gegenüber anderen koaxialen Empfangs- und Sendepfadkonzepten wird kein Strahlteiler zur Trennung des ausgesendeten Lichts, also des Scanstrahls, vom in der Umgebung des LiDAR-Systems reflektieren zu empfangenden Lichtes benötigt. Mit dem erfindungsgemäßen LiDAR-System wird gewährleistet, dass zum einen mehr Licht am Detektor zur
Verfügung steht und zum anderen die volle Leistung des Scanstrahls zur Verfügung steht. Verluste, die durch einen Strahlteiler entstehen, werden vermieden. Durch die Trennung vom Sensorkopf, Strahlquelle und Detektor können die
Strahlquelle, der Detektor und der Sensorkopf getrennt voneinander angeordnet werden. So können die einzelnen Elemente des LiDAR-Systems insbesondere in einem Fahrzeug platziert werden. So benötigt der Sensorkopf lediglich ein sehr kleines Einbauvolumen und kann somit beispielsweise hinter einer Stoßstange oder in einem Außenspiegel platziert werden. Es wird daher eine hohe Flexibilität hinsichtlich des Einbauorts der Strahlquelle und des Detektors erreicht. Auch kann der Einbauort der einzelnen Komponenten vorteilhaft gewählt werden, so ist es beispielsweise möglich, die Strahlquelle oder den Detektor derart zu platzieren, dass eine Kühlung dieser Bauelemente gewährleistet wird. Dadurch, dass ein Empfangspfad des LiDAR-Systems auf den zweiten Lichtleiter konzentriert ist, kann der Detektor kostengünstig als ein kompakter
Singlepixeldetektor ausgeführt sein. Es werden somit geringe Herstellkosten des
Detektors aufgrund der kleinen Pixelfläche ermöglicht. Zudem kann bei einem solchen Singlepixeldetektor auch aufwändige Elektronik zur Auslesung des Detektors verzichtet werden. Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Bevorzugt sind der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter an deren zweiten Ende koaxial zueinander angeordnet. Das bedeutet, dass der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter an Seiten des Sensorkopfes zumindest für einen abschließenden Abschnitt des Lichtleiterbündels zueinander parallele Achsen aufweisen. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass eine gemeinsame Optik für einen Sendepfad und einen Empfangspfad des LiDAR-Systems genutzt wird. Der Sensorkopf kann somit besonders kompakt ausgeführt werden. Auch ist es vorteilhaft, wenn das LiDAR-System mehrere zweite Lichtleiter umfasst, die an ihrem ersten Ende mit dem Detektor gekoppelt sind und die an ihrem zweite Ende an dem Sensorkopf mit dem zweiten Ende des ersten
Lichtleiters zusammengeführt werden. Es wird somit eine größere Fläche an dem zweiten Ende des zweiten Lichtleiters bereitgestellt, um empfangenes Licht in den zweiten Lichtleiter einzukoppeln. Es wird daher eine Fokussierung empfangenen Lichtes auf die zweiten Lichtleiter vereinfacht und eine
Empfangsoptik kann kompakt ausgeführt werden.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die zweiten Enden der zweiten Lichtleiter derart angeordnet sind, dass diese um das zweite Ende des ersten Lichtleiters herum angeordnet sind. Das bedeutet mit anderen Worten, dass der erste Lichtleiter an dem Sensorkopf ein zentraler Lichtleiter des Lichtleiterbündels ist. Die zweiten Lichtleiter sind insbesondere ringförmig um den ersten Lichtleiter herum angeordnet. Dabei ist es ebenfalls vorteilhaft, wenn das LiDAR-System mehrere erste Lichtleiter umfasst, welche an ihrem ersten Ende mit der Strahlquelle gekoppelt sind und deren zweites Ende an dem Sensorkopf mit den zweiten Enden der zweiten Lichtleiter zusammengeführt werden. Dabei sind bevorzugt alle der ersten Lichtleiter in einem Zentrum des Lichtleiterbündels angeordnet und werden von den zweiten Lichtleitern eingesäumt. Auf diese Weise wird ein symmetrischer Aufbau geschaffen, wodurch eine Optik der Ablenkvorrichtung besonders kompakt und einfach ausgeführt werden kann.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn an dem zweiten Ende des ersten Lichtleiters eine Strahlformungslinse angeordnet ist. Eine solche Strahlformungslinse ist bevorzugt direkt auf das zweite Ende des ersten Lichtleiters aufgebracht. Eine Strahlformungslinse ist eine optische Linse. Es kann somit eine Fokussierung von Licht erfolgen, welches von der Strahlquelle in den ersten Lichtleiter eingekoppelt wurde. Der Scanstrahl kann somit vor seiner Abgabe in die
Umgebung des LiDAR-Systems fokussiert werden und das LiDAR-System kann auf eine bevorzugte Scanreichweite optimiert werden. Auch ist es vorteilhaft, an dem zweiten Ende des zweiten Lichtleiters ein
Bandpassfilter angeordnet ist, und oder der zweite Lichtleiter einen Faserkern mit integrierten Bragg-Gitter aufweist. Umfasst das LiDAR-System mehrere zweite Lichtleiter, so ist es vorteilhaft, wenn an dem zweiten Ende aller zweiten
Lichtleiter ein Bandpassfilter angeordnet ist. Der Bandpassfilter ist dabei bevorzugt auf das oder die zweiten Enden direkt aufgebracht. Dadurch, dass lediglich solches Licht zu dem Detektor gelangt, welches durch den oder die zweiten Lichtleiter geleitet wird, kann eine Dimension des Bandpassfilters somit besonders klein gestaltet werden. Wird der Bandpassfilter direkt auf den oder die zweiten Lichtleiter aufgebracht, so kann der Bandpassfilter sehr schmal ausgeführt sein, was durch einen begrenzten Einfallswinkel zur Einkoppelung von Licht in den zweiten Lichtleiter begründet ist. Bevorzugt weist der
Bandpassfilter eine Dicke von weniger als 4 nm auf. Ein solcher Bandpassfilter bringt Vorteile beim Einsatz von SPAD-Detektoren, welche auch als Single- Photon-Avalange-Dioden bezeichnet werden. Für SPAD-Detektoren sind
Bandpassfilter mit einem schmalen Transmissionsband von Vorteil, da ein
Hintergrundlicht erheblich unterdrückt wird. Weist der zweite Lichtleiter einen Faserkern mit integriertem Bragg-Gitter auf, so kann auf einen zusätzlichen und separaten Filter verzichtet werden, da der zweite Lichtleiter selbst
Bandpasseigenschaften aufweist. Der Bandpassfilter muss jedoch nicht zwangsweise dünner als 4 nm sein, da dielektrische Filter typischerweise aus mehreren Schichten bestehen und somit abhängig von der Anzahl der Schichten auch eine Dicke von einem oder mehr Mikrometern aufweisen können. Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Ablenkvorrichtung einen beweglich
angeordneten Mikrospiegel und/oder eine beweglich angeordnete erste
Linsenanordnung umfasst. Durch solche optischen Elemente ist eine besonders einfache Realisierung der Ablenkvorrichtung möglich.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Ablenkvorrichtung eine erste Linsenanordnung und eine zweite Linsenanordnung umfasst, welche in Bezug zueinander beweglich angeordnet sind. Dabei ist es vorteilhaft wenn eine optische Achse einer Linse der ersten Linsenanordnung und einer Linse der zweiten
Linsenanordnung parallel zueinander ausgerichtet sind und die
Linsenanordnungen entlang der optischen Achse oder in eine senkrecht auf der optischen Achse stehenden Richtung gegeneinander beweglich sind. Mit anderen Worten bedeutet dies, dass es vorteilhaft ist, wenn die erste
Linsenanordnung und die zweite Linsenanordnung nicht gegeneinander verkippt werden. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte Ablenkvorrichtung mit geringer tiefe geschaffen werden. Dies führt zu einem kompakten Sensorkopf. Bei der ersten Linsenanordnung und/oder der zweiten Linsenanordnung kann es sich ferner auch um ein Mikrolinsenarray handeln, welches den Vorteil birgt, dass die Auslenkung gegenüber normalen Linsen sich auf der Mikrometerskala abspielt.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn zwischen der ersten Linsenanordnung und der zweiten Linsenanordnung eine dritte Linsenanordnung angeordnet ist. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die ersten Linsenanordnung und die zweite
Linsenanordnung jeweils zumindest eine konkave Linse umfassen und die dritte Linsenanordnung zumindest eine konvexe Linse umfasst. Alternativ umfasst die dritte Linsenanordnung bevorzugt zumindest eine konkave Linse. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass Licht des Scanstrahls auf Randbereiche von Linsen der ersten Linsenanordnung oder der zweiten Linsenanordnung trifft, da dieses durch die dritte Linsenanordnung entsprechend fokussiert werden kann. Es werden somit Verluste in dem Sendepfad und/oder Empfangspfad des LiDAR-Systems gering gehalten.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn der erste Lichtleiter und der zweite Lichtleiter photonische Kristallfasern sind, wobei die Hohlräume zwischen den Lichtleitern mit einem Gas befüllt sind, welches lediglich Licht mit einer Wellenlänge der Strahlquelle transmittiert. Das Gas fungiert dabei als ein Bandpassfilter und blockt störende Wellenlängen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn die Ablenkvorrichtung eine nicht-mechanische Strahllenkvorrichtung ist. Eine solche nicht-mechanische Strahllenkvorrichtung ist basiert insbesondere auf einer Strahllenkung durch Flüssigkristalle, durch Prismen, insbesondere doppelt brechende Prismen, oder durch Hologramme. Dadurch, dass auf eine Mechanik in dem Sensorkopf verzichtet wird, wird ein besonders robuster Sensorkopf geschaffen, welcher insbesondere im
Automobilbereich eine vorteilhafte Platzierung des Sensorkopfs an einem
Fahrzeug zulässt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
Figur 1 eine Darstellung eines Fahrzeugs, an welchen zwei
erfindungsgemäße LiDAR-Systeme angeordnet sind,
Figur 2 eine Darstellung eines ersten Lichtleiterbündels, wobei eine
Stirnseite des Lichtleiterbündels auf Seiten eines Sensorkopfes dargestellt ist, Figur 3 eine Darstellung eines zweiten Lichtleiterbündels, wobei eine
Stirnseite des Lichtleiterbündels auf Seiten des Sensorkopfes dargestellt ist,
Figur 4 eine Darstellung eines ersten vorteilhaften Sensorkopfes mit einer ersten Ablenkvorrichtung,
Figur 5 eine Darstellung eines zweiten vorteilhaften Sensorkopfes mit einer zweiten Ablenkvorrichtung,
Figur 6 eine vergrößerte Darstellung der zweiten Ablenkvorrichtung,
Figur 7 eine Darstellung einer dritten Ablenkvorrichtung, Figur 8 eine Darstellung einer vierten Ablenkvorrichtung,
Figur 9 eine Darstellung einer fünften Ablenkvorrichtung, und
Figur 10 eine Darstellung eines Fahrzeugs, an welchem mehrere
miteinander kombinierte LiDAR-Systeme angeordnet sind.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Darstellung eines Fahrzeuges 100, in welchem ein
beispielhaftes erfindungsgemäßes LiDAR-System 1 angeordnet ist. Das LiDAR- System 1 umfasst eine Strahlquelle 2, einen Detektor 3, ein Lichtleiterbündel 4 und einen Sensorkopf 7.
Die Strahlquelle 2 ist dazu eingerichtet, einen Scanstrahl 20 zu erzeugen. Die Strahlquelle 2 ist ein Lasersystem. So umfasst die Strahlquelle 2 insbesondere eine Laserdiode zum erzeugen des Scanstrahls 20
Der Detektor 3 ist dazu eingerichtet, eine Reflektion des Scanstrahls 20 zu detektieren, welche zu dem LiDAR-System 1 zurückgeworfen wird, wenn der Scanstrahl 20 in einer Umgebung des LiDAR-Systems 1 reflektiert wurde. Der Detektor 3 umfasst dazu ein fotoaktives Bauelement, insbesondere eine
Fotodiode. Alternativ ist der Detektor 3 ein Detektorarray, welcher mehrere fotoaktive Bauelemente umfasst.
Das Lichtleiterbündel 4 ist ein Glasfaserbündel 4, welches eine Y-Form aufweist. Das bedeutet, dass die Lichtleiter 5, 6 an einem Ende des Glasfaserbündels 4 gebündelt sind und an einem anderen Ende des Glasfaserbündels 4 voneinander getrennt sind. Das Glasfaserbündel 4 umfasst zumindest einen ersten Lichtleiter 5 und einen zweiten Lichtleiter 6. Das Lichtleiterbündel 4 umfasst somit zumindest zwei einzelne Lichtleiter 5, 6. Diese einzelnen Lichtleiter sind gebündelt, wobei die Bündelung lediglich auf einer dem Sensorkopf 7
zugehörigen Seite des ersten Lichtleiters 5 und des zweiten Lichtleiters 6 vorliegt. Der erste Lichtleiter 5 und der zweite Lichtleiter 6 sind somit im Bereich des Fußes des Y-förmigen Lichtleiterbündels 4 gebündelt. Der erste Lichtleiter 5 ist an einem ersten Ende des ersten Lichtleiters 5 mit der Strahlquelle 2 gekoppelt. Der zweite Lichtleiter 6 ist an einem ersten Ende des zweiten Lichtleiters 6 mit dem Detektor 3 gekoppelt. Ein zweites Ende des ersten Lichtleiters 5 und ein zweites Ende des zweiten Lichtleiters 6 sind auf Seiten des Sensorkopfes 7 gebündelt. Der erste Lichtleiter 5 und der zweite Lichtleiter 6 sind
Glasfasern. Es sei jedoch darauf verwiesen, dass die Lichtleiter ebenfalls als Kunststoffelemente gefertigt sein können. Auch andere lichtleitende Materialien können zur Ausführung der Lichtleiter 5, 6 vorteilhaft sein. In dem Sensorkopf 7 werden das zweite Ende des ersten Lichtleiters 5 und das zweite Ende des Lichtleiters 6 zusammengeführt. Dies ist beispielhaft in den Figuren 2 und 3 dargestellt. Dabei umfassen die in Figur 2 und Figur 3 dargestellten Lichtleiterbündel 4 mehrere zweite Lichtleiter 6, die an ihrem ersten Ende mit dem Detektor 3 gekoppelt sind und die an ihrem zweiten Ende an dem Sensorkopf 7 mit dem zweiten Ende des ersten Lichtleiters 5 zusammengeführt sind. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass die Strahlquelle 2 mit einem Lichtleiter, nämlich dem ersten Lichtleiter 5 mit dem Sensorkopf 7 gekoppelt ist. Der Detektor 3 ist über eine Vielzahl von Lichtleitern, hier den zweiten Lichtleitern 6, mit dem Sensorkopf 7 gekoppelt. So kann jeder der Lichtleiter, welcher den Detektor 3 mit dem Sensorkopf 7 verbindet, als der zweite Lichtleiter 6 angesehen werden. In Figur 2 und Figur 3 ist eine Draufsicht auf ein Ende des Lichtleiterbündels 4 dargestellt. Im Zentrum des Lichtleiterbündels 4 ist der erste Lichtleiter 5 angeordnet. Die zweiten Lichtleiter 6 sind um das gezeigte zweite Ende des ersten Lichtleiters 5 herum angeordnet. Dabei sind in Figur 2 und Figur 3 unterschiedliche Anordnungsmöglichkeiten der Lichtleiter 5, 6 dargestellt.
So ist in Figur 2 eine Anordnung des ersten Lichtleiters 5 und der zweiten Lichtleiter 6 gewählt, in der jeweilige Querschnittsmittelpunkte der einzelnen Lichtleiter 5, 6 auf einer quadratischen Rasterung angeordnet sind. Bei der in Figur 3 gezeigten vorteilhaften Anordnung der Lichtleiter 5, 6 sind die zweiten
Lichtleiter 6 mit ihren Querschnittsmittelpunkten auf einer Kreisbahn um den ersten Lichtleiter 5 herum angeordnet. Dies ermöglicht eine besonders kompakte Anordnung der einzelnen Lichtleiter 5, 6. In Figur 2 und Figur 3 ist das jeweils zweite Ende des ersten Lichtleiters 5 und der zweiten Lichtleiter 6 dargestellt. Dabei ist eine Stirnseite des Lichtleiterbündels 4 abgebildet. Die Achsen aller
Lichtleiter 5, 6 stehen in diesen Bereich des Lichtleiterbündels 4 senkrecht auf der dargestellten Ebene. Somit sind die Achsen des ersten Lichtleiters 5 und der zweiten Lichtleiter 6 koaxial zueinander angeordnet.
Auch ist es vorteilhaft, eine Double-Clad Fiber zu verwenden. Der innere Kern der Double-Clad Fiber ist für einen Single-Mode Strahl aus einer Lichtquelle geeignet, in den das Licht eingekoppelt wird. So dient der Kern der Double-Clad Fiber bevorzugt als erster Lichtleiter 5. Der äußere Mantel der Double-Clad Fiber (gegebenenfalls inkl. Bandpassfilter oder Bragg-Gitter) kann das reflektierte Licht einsammeln und auf den Detektor leiten. So dient der äußere Mantel der Double- Clad Fiber bevorzugt als zweiter Lichtleiter 6. Diese Anordnung ist ähnlich zu
Figur 2 und Figur 3.
Andere Faserauslegungen weichen von Figur 2 und Figur 3 ab. Bei solchen anderen Faserauslegungen gibt es nur einen Wellenleiter und dieser ist geeignet für langsame Auslenkungen der mechanischen Einheit. Des Weiteren können
Fasersplitter mit oder ohne integriertem Strahlteiler (eventuell
polarisationserhaltend) und/oder einem beliebigen Aufspaltungsverhältnis zwischen den einzelnen Fasern, also zwischen den ersten Lichtleiter 5 und dem zweiten Lichtleiter 6 eingesetzt werden.
Ferner ist ein optischer Faserzirkulator von Vorteil. Bei einem ersten Port wird das Licht von der Lichtquelle eingekoppelt und über einen zweiten Port ausgekoppelt. So wird über den zweiten Port 2 das Licht von der Umgebung, welches über die Ablenkeinheit wieder eingekoppelt wird, über den zweiten Port und/oder einen dritten Port 3 an den Detektor geschickt.
Das Lichtleiterbündel 4 ist eine Glasfaser, die aus mehreren Faserkernen besteht. Dies kann auch eine photonische Kristallfaser sein. Hierbei wird der zentrale Glasfaserkern, also der erste Lichtleiter 5, dazu benutzt, das emittierte Licht eines Lasers oder LED zu transportieren, welche als Strahlquelle 2 dient.
Die äußeren beliebig angeordneten Faserkerne, also die zweiten Lichtleiter 6, sammeln das im Umfeld des LiDAR-Systems 1 reflektierte Licht ein. Hinsichtlich der zweiten Lichtleiter ist eine rechteckige oder kreisförmige Anordnung und zudem eine Anordnung in mehreren Schichten möglich. Um den austretenden Laserstrahl, also den Scanstrahl 20, zu formen, kann auf den mittleren
Glasfaserkern und somit auf den ersten Lichtleiter ein optisches Element (Linse) aufgebracht werden. Zur Unterdrückung des Hintergrundlichts kann auf die äußeren Glasfaserkerne eine Beschichtung zur Wellenlängenselektionen) aufgebracht werden, welche im Folgenden als Bandpassfilter oder Bandpass bezeichnet wird. Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn anstatt des Bandpassfilters Faserkerne mit integrierten Bragg-Gittern verwendet werden.
Beim Einsatz photonischer Kristallfasern als Lichtleiter 5, 6 können die
Hohlräume zwischen den einzelnen Lichtleitern 5, 6 oder zwischen den
Lichtleitern und der Strahlquelle, dem Detektor und/oder der Ablenkvorrichtung mit einem Gas gefüllt werden, welches das breitbandige Hintergrundlicht absorbiert und nur die Wellenlänge der Strahlquelle 2 transmittiert.
Die zentrale Faser von der Strahlquelle 2 und die äußeren Faserbündel, also die zweiten Lichtleiter 6, welche zum Detektor 3 führen, können durch die Y- Auslegung der gesamten Glasfaser räumlich voneinander getrennt werden.
Die Figuren 4 und 5 zeigen zwei mögliche Ausführungsformen des Sensorkopfes 7. In Figur 4 ist das auf Seiten des Sensorkopfes 7 gelegene Ende des
Lichtleiterbündels 4 dargestellt. Das Lichtleiterbündel 4 entspricht dabei dem in Figur 2 oder 3 dargestellten Lichtleiterbündel 4. Das Lichtleiterbündel 4 ist dabei in einer Schnittebene entlang einer Längsachse des Lichtleiterbündels 4 dargestellt. Im Zentrum des Lichtleiterbündels 4 ist der erste Lichtleiter 5 angeordnet. Koaxial zu dem ersten Lichtleiter 5 ist in dem Querschnitt oberhalb und unterhalb des ersten Lichtleiters 5 jeweils ein zweiter Lichtleiter 6
angeordnet. Die Lichtleiter 5,6 des Lichtleiterbündels 4 sind ferner mit einer Schutzschicht 8 ummantelt. Auf dem dargestellten zweiten Ende des ersten
Lichtleiters 5 ist eine Strahlformungslinse 12 angeordnet. Diese ist direkt auf dem ersten Lichtleiter 5 angebracht. Durch die Strahlformungsliste 12 wird es ermöglicht, dass der in dem ersten Lichtleiter 5 eingekoppelte Scanstrahl 20 fokussiert wird. Um die Strahlformungslinse 12 herum ist auf den Enden der zweiten Lichtleiters 6 ein Bandpassfilter 9 angeordnet. Der Bandpassfilter 9 ist auf die Enden der zweiten Lichtleiter 6 angebracht. Dazu ist eine Frontfläche der zweiten Lichtleiter 6 mit dem Bandpassfilter beschichtet, um unerwünschtes Störlicht (z. B. von der Sonne) zu blocken. Die in Figur 4 dargestellte Ausführungsform des Sensorkopfes 7 zeigt ferner die
Ablenkvorrichtung 10, welche bei der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform einen beweglich angeordneter Mikrospiegel umfasst. So ist ersichtlich, dass ein an dem ersten Ende des ersten Lichtleiters 5 eingekoppelter Scanstrahl 20 durch die Strahlformungslinse 12 fokussiert wird und auf den Mikrospiegel 1 1 abgestrahlt wird. Da der Mikrospiegel 1 1 beweglich angeordnet ist, wird der Scanstrahl 20 bei einer Bewegung des Mikrospiegels 1 1 in unterschiedliche Richtungen abgestrahlt. Dies ermöglicht es, dass durch das LiDAR-System 1 die
Umgebung des LiDAR-Systems 1 gescannt wird. Der Mikrospiegel 1 1 führt dabei bevorzugt eine oszillierende Bewegung aus oder ist als ein rotierender Spiegel ausgeführt. In Figur 4 ist somit eine Kombination einer Multifaser mit einem Ablenkspiegel, z. B. einem Mikrospiegel oder einem Polygonspiegel dargestellt. Im Fall des Mikrospiegels trifft Licht aus der zentralen Faser, also aus dem ersten Lichtleiter 5, auf den Mikrospiegel 1 1 , der das Licht unter einem gewissen Winkel in das Sichtfeld des LiDAR-Systems 1 ablenkt. Das rückreflektierte Licht wird durch den Mikrospiegel 1 1 , welcher sich in der Zwischenzeit weiterbewegt hat, zurück in Richtung Lichtleiterbündel 4 gelenkt und trifft dort in Abhängigkeit der Position des Bildpunktes im Sichtfeld auf einen der äußeren zweiten Lichtleiter 6. Dort wird das Licht im Faserkern zum Detektor 3 geleitet und trifft dort auf die empfindliche Sensorfläche.
Die in Figur 5 dargestellte Ausführungsform des Sensorkopfes 7 entspricht im Wesentlichen der in Figur 4 dargestellten Ausführungsform des Sensorkopfes 7, wobei die Ablenkvorrichtung 10 in der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform anstelle des Mikrospiegels 1 1 eine erste Linsenanordnung 13 und eine zweite Linsenanordnung 14 umfasst, welche in Bezug zueinander beweglich angeordnet sind. Dabei ist eine der ersten Linsenanordnung 13 und der zweiten
Linsenanordnung 14 gegenüber dem Lichtleiterbündel 4 in einer festen Position angeordnet und die jeweils andere der ersten und zweiten Linsenanordnung 13 und 14 ist beweglich gegenüber dem Lichtleiterbündel 4 angeordnet. Die erste Linsenanordnung 13 und die zweite Linsenanordnung 14 sind dabei Mikrolinsen-
Arrays.
Im Fall der Mikrolinsenarrays wird der Scanstrahl 20 durch das sich bewegende erste oder zweite Mikrolinsenarray 13, 14 in das Sichtfeld abgelenkt. Nach der Reflektion im Umfeld des LiDAR-Systems 1 fällt das Licht aufgrund einer oszillierenden Bewegung des jeweiligen Mikrolinsenarrays 13, 14 auf einen der äußeren zweiten Lichtleiter 6, wo das Licht zum Detektor 3 geleitet wird.
Die in Figur 5 dargestellte Ablenkvorrichtung 10 ist in Figur 6 in einer
vergrößerten Ansicht dargestellt, wobei einzelne Strahlengänge des Scanstrahls
20 beim Durchlaufen der Ablenkvorrichtung 10 abgebildet sind. Es ist ersichtlich, dass eine Ablenkung des Scanstrahls 20 davon abhängig ist, wie die zweite Linsenanordnung 14 gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 positioniert ist. So kann zur Steuerung des Scanstrahls 20, um einen Scanvorgang des LiDAR- Systems 1 zu ermöglichen, die zweite Linsenanordnung 14 lateral gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 versetzt oder verschoben werden. Die Distanz zwischen den Linsenanordnung en 13, 14 bleibt dabei gleich. Das bedeutet, dass die zweite Linsenanordnung 14 gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 parallel verschoben wird. Wie ebenfalls aus Figur 6 ersichtlich, kann es dabei jedoch zu einer Defokussierung des Scanstrahls 20 kommen, was insbesondere dann auftritt, wenn ein Anteil des Scanstrahls 20 auf solche Bereiche der zweiten Linsenanordnung 13 trifft, in dem einzelne Mikrolinsen 13', 13" des Mikrolinsen- Arrays aufeinander treffen. Dieser Effekt lässt sich jedoch bei Bedarf minimieren. So wird eine Defokussierung des Scanstrahls 20 durch die Ablenkvorrichtung 10 minimiert, wenn zwischen der ersten Linsenanordnung 13 und der zweiten
Linsenanordnung 14 zusätzlich eine dritte Linsenanordnung 15 angeordnet ist. Dies ist beispielhaft in Figur 7 dargestellt.
Figur 7 zeigt, dass die erste Linsenanordnung 13 und die zweite
Linsenanordnung 14 jeweils ein Linsen-Array aus konvexen Mikrolinsen sind. Die dritte Linsenanordnung 15 ist ein Linsen-Array aus konkav geformten
Mikrolinsen. Die dritte Linsenanordnung 15 wird zusammen mit der zweiten Linsenanordnung 14 gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 bewegt. Dabei ist es jedoch nicht erforderlich, dass die zweiten Linsenanordnung 14 und die dritte Linsenanordnung 15 in gleichem Maße gegenüber der ersten
Linsenanordnung 13 bewegt werden. Vielmehr ist es vorteilhaft, wenn die zweite Linsenanordnung 14 und die dritte Linsenanordnung 15 derart bewegt werden, dass der Scanstrahl 20 von der dritten Linsenanordnung 15 auf die einzelnen Mikrolinsen der zweiten Linsenanordnung 14 fokussiert wird.
In allen Ausführungsformen der Erfindung ist es vorteilhaft, wenn die
Ablenkvorrichtung 10 eine nicht-mechanische Strahllenkvorrichtung ist. Dies bedeutet beispielsweise, dass der Mikrospiegel 1 1 oder die Linsenanordnungen 13, 14 und 15 keine mechanischen Komponenten umfassen, welche tatsächlich bewegt werden. So sind die Linsen der ersten, zweiten und/oder dritten
Linsenanordnung 13, 14, 15 beispielsweise durch eine entsprechende
Bestromung eines Flüssigkristalls ausgebildet. Wird der Flüssigkristall in einer veränderten Art und Weise bestromt, so bilden sich die erste bis dritte
Linsenanordnung 10, 13, 14 an einer veränderten Position in dem Flüssigkristall aus. Dabei wurde das Flüssigkristall an sich jedoch in keiner Weise mechanisch bewegt. Als alternative Techniken zur Ausführung einer nicht-mechanischen Strahllenkung in der Ablenkvorrichtung 10 ist eine Strahllenkung durch
Hologramme, doppelbrechende Prismen, variabel polarisierbare Elemente und Flüssigkristalle im allgemeinen vorteilhaft. Solche Vorrichtungen zur nichtmechanischen Strahllenkung sind aus dem Stand der Technik bekannt und werden der Kürze halber nicht näher ausgeführt. Der Einsatz nicht-mechanischer Strahllenkvorrichtungen in einem erfindungsgemäßen Sensorkopf 7 ist in jeder
Weise vorteilhaft, da dies eine Robustheit des Sensorkopfes 7 gegenüber mechanischen Einflüssen erhöht und somit eine flexiblere Anordnung des Sensorkopfes 7 ermöglicht. In den zuvor beschriebenen Ausführungsformen ist die erste Linsenanordnung
13, die zweite Linsenanordnung 14 und die dritte Linsenanordnung 15 als ein Mikrolinsen-Array ausgeführt. Es sei darauf verwiesen, dass die erste
Linsenanordnung 13, die zweite Linsenanordnung 15 und/oder die dritte
Linsenanordnung 15 jedoch auch als jeweils alleinstehende Linse ausgeführt sein kann. So zeigt Figur 8 eine Linsenanordnung in der Ablenkvorrichtung 10, wobei die erste Linsenanordnung 13 eine einzelne konvexe Linse umfasst und die zweite Linsenanordnung 14 eine einzelne konvexe Linse umfasst. Wird die zweite Linsenanordnung 14 gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 bewegt, so verändert sich eine Richtung des Scanstrahls 20. Dabei ist es ebenfalls bei einer Ausführung der Linsenanordnungen 13, 14 als alleinstehende Linsen vorteilhaft, wenn zwischen der ersten Linsenanordnung 13 und der zweiten Linsenanordnung 14 eine Fokussierung mittels einer dritten Linsenanordnung 15 erfolgt, wobei auch die dritte Linsenanordnung 15 als einzelne Linse ausgeführt sein kann. Dies ist beispielhaft in Figur 9 gezeigt. Dabei umfasst die dritten Linsenanordnung 15 ebenfalls eine einzelne konvexe Linse. Wie auch bei der in
Figur 7 abgebildeten Ausführungsform der Ablenkvorrichtung 10 sind dabei die zweite Linsenanordnung 14 und die dritte Linsenanordnung 15 beweglich gegenüber der ersten Linsenanordnung 13 ausgeführt.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei den in den Figuren 6, 7, 8 und 9 dargestellten Ablenkvorrichtungen 10 jeweils die durch einen Rahmen 21 markierten Linsenanordnungen 13, 14, 15 beweglich angeordnet sind.
An dem in Figur 1 dargestellten Fahrzeug 100 sind zwei baugleiche LiDAR- Systeme 1 , 1 ' angeordnet. Figur 10 zeigt eine alternative Anordnung mehrerer erfindungsgemäßer LiDAR-Systeme 1 an einem Fahrzeug 100. Dabei sind mehrere Sensorköpfe 40, 41 , 42, 43 an dem Fahrzeug angeordnet, welche dem zuvor beschriebenen Sensorkopf 7 entsprechen angeordnet. Die Detektoren 3 der einzelnen LiDAR-Systeme sind in einer Detektorbaugruppe 44 gruppiert. Die Strahlquellen 2 der einzelnen LiDAR-Systeme sind in einer
Strahlquellenbaugruppe 35 gruppiert. Dabei ist die Strahlquellenbaugruppe 45 insbesondere so gestaltet, dass der Scanstrahl 20 von einem einzelnen Laser in unterschiedliche erste Lichtleiter 5 eingekoppelt wird, welche unterschiedlichen LiDAR-Systemen zugehörig sind. Die Sensorköpfe 40, 41 , 42, 43 der einzelnen LiDAR-Systeme sind an beliebigen Positionen des Fahrzeuges 100 angeordnet. Es kann somit das gesamte Umfeld des Fahrzeuges 100 durch die LiDAR- Systeme gescannt werden, wobei die dafür notwendigen Detektoren 3 und Strahlquellen 2 sicher im Inneren des Fahrzeuges 100 angeordnet sind.
Der Sensorkopf 7, welcher die Ablenkeinheit beinhaltet, kann getrennt von der Strahlquelle 2 sowie Detektor 3 im Fahrzeug 100 eingebaute werden. Dadurch kann der Sensorkopf 7 an Orten installiert werden, wo nur eingeschränkt Platz vorhanden ist, zum Beispiel, in der Fahrzeugtür. Die Strahlquelle 2 und der Detektor 3 inkl. Elektronik können an leicht zugänglichen Orten montiert werden, wo ausreichend Platz für die Module verfügbar ist. Beim Einsatz mehrerer Sensoren können die Strahlquellen 2 und Detektoren 3 zu einer einzigen Einheit miteinander verbunden werden.
Der Einsatzbereich eines erfindungsgemäßen LiDAR-Systems umfasst insbesondere 2D- und 3D-Laserscanner zur Umwelterfassung in
Fahrerassistenzsystemen, insbesondere im Umfeld des hochautomatisierten Fahrens. Darüber hinaus ist ein Einsatz in anderen Bereichen, beispielsweise im Bereich der Service-Robotik, der Gestikerkennung, beispielsweise für Mobilfunkgeräte oder im Kfz-Innenraum, und der Arbeitsraumüberwachung vorteilhaft.
Nebst offenstehender Offenbarung wird explizit auf die Offenbarung der Figuren 1 bis 10 verwiesen.

Claims

Ansprüche
1. LiDAR-System (1), umfassend:
- eine Strahlquelle (2), welche dazu eingerichtet ist, einen Scanstrahl (20) zu erzeugen,
- einen Detektor (3), welcher dazu eingerichtet ist, eine Reflektion des Scanstahls (20) zu detektieren, welche zu dem LiDAR-System (1) zurückgeworfen wird, wenn der Scanstrahl (20) in einer Umgebung des LiDAR-Systems (1) reflektiert wurde,
- ein Lichtleiterbündel (4), welches zumindest einen ersten Lichtleiter (5) und einen zweiten Lichtleiter (6) umfasst, wobei der erste Lichtleiter (5) an einem ersten Ende des ersten Lichtleiters (5) mit der Strahlquelle (2) gekoppelt ist und der zweite Lichtleiter (6) an einem ersten Ende des zweiten Lichtleiters (6) mit dem Detektor (3) gekoppelt ist, und
- einen Sensorkopf (7), in dem ein zweites Ende des ersten Lichtleiters (5) und ein zweites Ende des zweiten Lichtleiters (6) zusammengeführt werden, wobei der Sensorkopf (7) ferner eine Ablenkvorrichtung (10) aufweist, um den über den ersten Lichtleiter (5) zu dem Sensorkopf (7) geführten Scanstrahl (20) während eines Scanvorgangs in eine wechselnde Richtung zu lenken.
2. LiDAR-System (1) gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtleiter (5) und der zweite Lichtleiter (6) an deren zweiten Ende koaxial zueinander angeordnet sind.
3. LiDAR-System (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das LiDAR-System (1) mehrere zweite Lichtleiter (6) umfasst, die an ihrem ersten Ende mit dem Detektor (3) gekoppelt sind und die an ihrem zweiten Ende an dem Sensorkopf (7) mit dem zweiten Ende des ersten Lichtleiters (5) zusammengeführt sind.
4. LiDAR-System (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Enden der zweiten Lichtleiter (6) derart angeordnet sind, dass diese um das zweite Ende des ersten Lichtleiters (5) herum angeordnet sind.
LiDAR-System (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Ende des ersten Lichtleiters (5) eine Strahlformungslinse (12) angeordnet ist.
LiDAR-System (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem zweiten Ende des zweiten Lichtleiters (6) ein Bandpassfilter (9) angeordnet ist und/oder der zweite Lichtleiter (6) einen Faserkern mit integriertem Bragg-Gitter aufweist.
LiDAR-System (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkvorrichtung (10) einen beweglich angeordneten Mikrospiegel (11) und/oder eine beweglich angeordnete erste Linsenanordnung (13) umfasst.
LiDAR-System (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkvorrichtung (10) eine erste
Linsenanordnung (13) und eine zweite Linsenanordnung (14) umfasst, welche im Bezug zueinander beweglich angeordnet sind, wobei zwischen der ersten Linsenanordnung (13) und der zweiten Linsenanordnung (14) bevorzugt eine dritte Linsenanordnung (15) angeordnet ist.
LiDAR-System (1 ) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtleiter (5) und der zweite Lichtleiter (6) photonische Kristallfasern sind, wobei die Hohlräume zwischen den Lichtleitern (5, 6) mit einem Gas befüllt sind, welches lediglich Licht mit einer Wellenlänge der Strahlquelle (2) transmittiert.
LiDAR-System (1) gemäß einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ablenkvorrichtung (10) eine nicht-mechanische Strahllenkvorrichtung ist.
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